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Aisladores no cerámicos paralíneas de transmisión.Parte II: aplicación querequiere de una seleccióncuidadosa

José Luis Fierro Chávez

Los aisladores no cerámicosestán sujetos a diferentescondiciones ambientales y decontaminación, por lo que elmaterial de los faldones y dela cubierta debe ser capaz desoportar los efectosdegradantes de las descargassuperficiales (erosión otracking) y diversosmecanismos de falla quepueden presentarse encampo.

Resumenn esta segunda parte se mencionan losposibles mecanismos de degradaciónque pueden presentarse en losaisladores no cerámicos a fin deidentificarlos durante las inspeccionesque se realicen en campo a lo largo desu vida útil. Se exponen algunastécnicas de evaluación deenvejecimiento acelerado, así comoaspectos importantes que debenconsiderarse para la selección delaislamiento en el caso de unaaplicación particular.

IntroducciónLas propiedades eléctricas y elcomportamiento de los aisladores nocerámicos dependen principalmentede sus propiedades superficiales(como la hidrofobicidad) y de loscambios de estas propiedades debidos

a la exposición a la intemperie (envejecimiento). Asimismo,dicho comportamiento depende también de un diseñoadecuado al reducir el número de interfaces donde sepueden presentar arqueos y donde puede ocurrir unadegradación acelerada del material.

El proceso de selección de un aislador no cerámico parauna aplicación particular debe incluir un análisis de losmateriales disponibles, de la experiencia operativa, deldimensionamiento de su longitud y distancia de fuga, de losresultados de pruebas de envejecimiento acelerado y de lascondiciones bajo las cuales va a operar.

Los aisladores no cerámicos están sujetos a diferentescondiciones ambientales y de contaminación, por lo que elmaterial de los faldones y de la cubierta debe ser capaz desoportar los efectos de las descargas superficiales (erosión otracking) y diversos mecanismos de falla que puedenpresentarse en campo.

Mecanismos de degradación asociados con laexposición a la intemperieLos aisladores no cerámicos pueden envejecerse y presentarcambios debido a los múltiples esfuerzos encontrados en

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servicio, ya que tienen uniones másdébiles que los materiales cerámicos[Mackevich, J. et al., 1997]. Elenvejecimiento y la vida esperada de losaisladores no cerámicos dependen devarios factores, muchos de los cualesestán asociados con la exposición a laintemperie, mientras que otros estánrelacionados con las condiciones deoperación. Aunque el exponerse a loselementos naturales ha demostrado queenvejece los materiales, existe una granexperiencia que sugiere que la vida delaislador está más relacionada condiseños de pobre desempeño y un malcontrol de calidad durante el proceso defabricación.

El envejecimiento se refiere alproceso que causa la falla del aisladorpara poder cumplir con su función.Dependiendo de los materiales utilizadosen los aisladores, de su diseño y de lascondiciones ambientales, se puedengenerar diferentes mecanismos dedegradación que pueden provocar lafalla del aislador. Algunos de estosmecanismos son:

• Diversas formas de falla mecánicade la barra de fibra de vidrio (brittlefracture).

• Formación de caminosconductores sobre la superficie delmaterial aislante (tracking).

• Aparición de partículas del rellenoen la superficie aislante (chalking).

• Cambios en el color base delmaterial aislante (colour changes).

• Rompimiento del material nocerámico como resultado de laexposición a altos niveles de energía UVasociada con la presencia de corona(corona cutting).

• Corrosión de las partes metálicasdebido a la reacción química con elambiente.

• Microfracturas superficiales conprofundidades entre 0.01 y 0.1 mm(crazing).

• Rompimiento del materialadhesivo usado para unir químicamente

dos materiales del aislador (debonding).• Pérdida significante del material

aislante, irreversible y no conductora(erosion).

• Exposición de la barra de fibra devidrio al ambiente (exposure of thecore).

• Fracturas superficiales conprofundidad mayor a 0.1 mm(aligatoring).

• Fuga de grasa de las interfacesfaldón-cubierta o faldón-núcleo hacia lasuperficie (grease leakage).

• Penetración de agua en formalíquida o vapor, causando elablandamiento de cubierta o faldones(hydrolisis).

• Pérdida de hidrofobicidad.• Pérdida de adhesión del sello de

los herrajes (peeling).• Daños por arco de potencia

(power arc damage).• Daños por perforación

(puncture).• Separación o apertura del

material aislante (splitting).• Daños por vandalismo

(vandalism).Aunque muchos factores están

involucrados en el envejecimiento de losaisladores no cerámicos, la humedad y lacontaminación juegan los papeles másimportantes. En condiciones secas yambientes sin contaminación, losaisladores no cerámicos tienen unavida muy larga. La humedad y lacontaminación provocan unincremento en la corriente de fugasobre la superficie aislante. La expe-riencia ha mostrado que existe unaapreciable diferencia en el nivel decorriente de fuga entre los aisladorescerámicos y los no cerámicos [Kuhl,M., 1994]. La corriente de fuga en losaisladores no cerámicos indica lapérdida de la hidrofobicidad de losfaldones y cubierta. Si la corriente defuga es suficientemente alta puedeconducir a la formación de arqueo debandas secas. El calor producido por

las descargas en forma localizadacausa erosión o carbonización. Por loanterior, la retención de lahidrofobicidad es altamente deseada,aunque si esta propiedad se pierde ose reduce, la formulación del materialno cerámico debe tener una altaresistencia a la erosión o a lacarbonización.

La corriente de fuga tambiénredistribuye el esfuerzo de voltaje,sobreesforzando los materiales nocerámicos y la construcción del aislador,lo cual causa la ruptura dieléctrica de lasuniones, exponiendo la barra de fibra devidrio a la humedad. Cuando esto ocurre

se presenta una falla interna porcarbonización.

La clave para dar mayor tiempo devida a los aisladores no cerámicos esasegurar que la corriente de fuga semantenga en un nivel bajo. Debido a suhidrofobicidad, los aisladores nocerámicos de hule silicón satisfacen esterequerimiento esencial. Sin embargo,una distancia de fuga protegida biendimensionada también reduce lacorriente de fuga. Asimismo, elmantenimiento por lavado natural oartificial también incrementa su vida.

Técnicas de envejecimientoacelerado en laboratorioEl desarrollo de los conceptos demateriales y diseño para aisladores nocerámicos ofrece diferentes opcionespara aplicación en líneas de transmisiónde alta tensión. Se sabe que elcomportamiento en contaminación de

Aunque muchos factoresestán involucrados en elenvejecimiento de losaisladores no cerámicos, lahumedad y la contaminaciónjuegan los papeles másimportantes.

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estos aisladores cuando están nuevos esgeneralmente superior al de losaisladores de vidrio o porcelana. Sinembargo, los aisladores no cerámicosson más susceptibles a cambios en suspropiedades superficiales debido alenvejecimiento ambiental en servicio, locual puede llevar a un deteriorosignificativo de sus características deaguante en contaminación. La prediccióndel grado de deterioro, así como laformulación de un índice de severidad dela contaminación es de importanciarelevante para las compañías usuariaspara evaluar la confiabilidad de las líneasde transmisión.

Muchos proyectos de investigaciónhan mostrado que el envejecimientoreduce el voltaje de flameo encontaminación de los aisladores nocerámicos [Gorur, R.S. et al., 1987;Houlgate, R.G. et al., 1990; Lambeth, P.J.,1988; Schneider, H.M. et al., 1993; Fini,G.P. et al., 1987]. Por ejemplo, DeTourreil et al. (1990) demostraron queunos cuantos años de contaminaciónligera causaron una reducción de 10 al15% en el voltaje de aguante en nieblasalina.

Desgraciadamente, las pruebas decontaminación de laboratorio enaisladores no cerámicos presentanproblemas especiales: cuando estánnuevos son difíciles de contaminar ohumedecer, además de que acondicionarsu superficie por técnicas convencionalesno siempre produce resultados realistas;el desarrollo de una prueba decontaminación adecuada para losaisladores no cerámicos representa unreto técnico. La mayor dificultad es elmétodo de contaminación. Se hanpropuesto varios métodos, pero debeenfatizarse la importancia de la relacióncon la experiencia en servicio [De la O,A., 1997].

Además de las pruebas en aisladorescompletos, se conocen numerososprocedimientos de prueba paramateriales orgánicos: ASTM495,

ASTM2303, IEC587, etcétera. Estaspruebas muestran que los materialesorgánicos en su condición nueva sufrenun deterioro que depende del nivel deesfuerzo y del tiempo. Estosprocedimientos pueden ser útiles paracomparar entre diferentes materialesorgánicos, pero no ofrecen ningúncriterio de aguante.

Debido a que los aisladores nocerámicos están expuestos a laintemperie bajo todas las circunstancias,se supone un envejecimiento pormultiesfuerzos durante su vida deservicio. Materiales específicosresponden de distinta manera a losdiferentes mecanismos deenvejecimiento. Hasta el presente no seconoce un mecanismo de envejecimientoartificial que pueda relacionarse enforma preferente para los aisladores nocerámicos. Muchas normas nacionales yespecificaciones de compañías usuariaspara aisladores no cerámicos especificanrequerimientos mínimos para materialesde acuerdo con IEC587, ASTM495 ypruebas de penetración de agua. Estaspruebas pueden usarse meramente paraexcluir materiales no adecuados paraaisladores. Algunas pruebas sencillas deenvejecimiento se han efectuado en unoscuantos casos con el propósito decomparar materiales particulares. El

envejecimiento puede lograrse aplicandomultiesfuerzos, pero no se sabe en quégrado se alcanza el envejecimiento(factor de aceleración) y cuálmecanismo de envejecimiento está detrásdel resultado correspondiente. Encualquier caso, es difícil establecer lacorrelación entre los resultados depruebas artificiales y el comportamientoen servicio. La filosofía de aceleración esmantener el esfuerzo aplicado al aisladoren forma realista. Esto es con el objetode evitar cualquier resultado en elcomportamiento del aislador que no searelevante con su desempeño en campo.

Algunos de estos procedimientosestán normalizados, mientras que otrosson parte de especificacionesdesarrolladas por las compañíasusuarias. Hasta el presente, sólo lanorma IEC 1109 (1991) para aisladoresno cerámicos está disponible como unaprueba de envejecimiento normalizadainternacionalmente. Esta norma definedos procedimientos de envejecimiento:una prueba de 1 000 h en niebla salina(cláusula 5.3) y una prueba de largaduración (5 000 h) que puede seraplicando diferentes esfuerzos en formacíclica o exclusivamente en niebla salina.

La naturaleza cíclica de los climas yel deterioro han llevado a la conclusiónde que la prueba de ciclos se prefierepara simular el envejecimiento [Karady,G.G. et al., 1994; Gutman, I. et al.,1997]. Sin embargo, muchos usuarios yfabricantes aún usan el procedimiento deniebla salina como una prueba deselección en una etapa temprana duranteel desarrollo del producto para verificarel diseño completo y no sólo el materialdel aislador. La característica atractiva deesta prueba es que su desarrollo es másfácil y más rápido y, por lo tanto, tiene unmenor costo.

Los requerimientos para la pruebade niebla salina son ampliamenteutlizados como un punto de partida enpropuestas para nuevas pruebas paraotros tipos de aisladores, por ejemplo

En la actualidad no existe unatécnica normalizada oampliamente utilizada parainspeccionar los aisladores nocerámicos en servicio. Sinembargo, algunas compañías uorganizaciones han investigadovarias técnicas aplicables aaisladores energizados paraestablecer su estado operativoy planear su mantenimiento oretiro, dependiendo de laseveridad de los defectosencontrados

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cubiertas de supresores de sobretensióno aisladores huecos. Por lo tanto, unprocedimiento modificado de estaprueba se ha sugerido para el caso depruebas de envejecimiento de largaduración, como se describe en [Riquel,G., 1993].

Algunos otros procedimientos deevaluación que forman parte deespecificaciones de las compañíasusuarias o laboratorios de prueba son:

• Rueda de tracking [CEA, 1991].• Procedimiento de niebla salina y

cemento (CEA) [De Tourreil, C.H. et al.,1992].

• Prueba de 5 000 h con esfuerzosmúltiples y corriente directa (FGH).

• Prueba de 5 000 h con esfuerzosmúltiples (ENEL) [Fini, G.P. et al., 1993].

• Prueba de ciclos verano/invierno(EPRI) [Schneider, H.M. et al., 1995].

• Prueba de climas desérticos conestaciones frías (EPRI) [Schneider, H.M.et al., 1995].

Algunas de estas técnicas son muysimilares a la actual norma IEC 1109,mientras que otras intentan reproducircondiciones particulares de un país o deun lugar en específico, del cual se tienebastante información no sólo ambientalsino también del comportamiento de losaisladores bajo dichas condicionesoperativas.

Técnicas de diagnóstico en campoPara el caso de aisladores cerámicosexisten varios métodos de inspecciónpara detectar en campo aisladores confallas. Para los aisladores de vidrio serequiere de una simple inspección visual.En el caso de los aisladores nocerámicos, la degradación causada porel envejecimiento o ligeros defectosinternos introducidos durante lafabricación puede llevar con el tiempo auna pérdida inaceptable de la integridadeléctrica o mecánica de los aisladores,resultando en consecuenciaspotencialmente perjudiciales.

En la actualidad no existe una

técnica normalizada o ampliamenteutilizada para inspeccionar los aisladoresno cerámicos en servicio. Sin embargo,algunas compañías u organizacionescomo EDF, ENEL, ESKOM, EZH, HQ/IREQ, REE, etcétera, han investigadovarias técnicas aplicables a aisladoresenergizados para establecer su estadooperativo y planear su mantenimiento oretiro, dependiendo de la severidad delos defectos encontrados [CIGRE WG22.03, 1996]. Las técnicas más comunesson:

• Inspección visual. Ésta es latécnica más común. El inspectorrequiere experiencia en los diseños,materiales y comportamiento de cadatipo de aislador y estar familiarizado conlos mecanismos de falla descritosanteriormente.

• Equipo de intensificación deimágenes (cámara de visión nocturna).El examen de los aisladores con esteequipo puede indicar la presencia deactividad de descargas superficiales. Enalgunos casos, la detección de pequeñasdescargas estables ha mostrado unaerosión significativa del material delfaldón con el tiempo. Es importanteutilizar un equipo sensible a la banda deUV en el rango de 300 a 400 nm conlentes de cuarzo.

• Termografía infrarroja. Ladegradación causada por la acción delcampo eléctrico en materialesdieléctricos está asociada con calor en lamayoría de los casos. Se han obtenidobuenos resultados en pruebas delaboratorio y de campo utilizando estatécnica para localizar defectos en losaisladores no cerámicos.

• Emisión acústica direccional. Estatécnica se ha utilizado para localizarfuentes de descargas, aunque losdefectos internos sólo pueden detectarsecuando éstos causan actividad dedescargas. Este método es menossensible que la termografía infrarroja.

• Mediciones de campo eléctrico.Con este método se obtienen mediciones

del campo eléctrico a lo largo delaislador. Los defectos causan cambios delcampo eléctrico en forma más o menosabrupta, los cuales pueden identificarseal compararlos con un aislador en buenestado. Con este método se han podidoidentificar aisladores defectuosos,aunque también se obtuvieron curvas decampo eléctrico de aisladoresdefectuosos indicando un buen estado.

• Medición de corriente de fuga.Esta técnica se ha utilizado paraestablecer el riesgo de flameo de losaisladores en función del nivel decontaminación y humectación en susuperficie. Actualmente se encamina acorrelacionar los niveles de corriente(actividad eléctrica superficial) con elenvejecimiento o daños en el aislador.

Aspectos importantes para laselección del aislamientoLa historia reciente de los aisladores nocerámicos revela que los motivos paraintroducir estos materiales no son parareducir el uso de aisladores de vidrio oporcelana, sino más bien para tenermejores soluciones a problemasespecíficos y también para abrir a nuevasposibilidades en el diseño de líneas detransmisión y distribución.

La práctica con aisladoresconvencionales de suspensión es tal que,en muchas compañías usuarias, tanto eltipo, el perfil, la carga mecánica y elnúmero de aisladores en una cadenaestán normalizados para un nivel devoltaje y contaminación. Sin embargo, elreemplazo de una cadena de aisladoresconvencionales por un aislador nocerámico requiere del análisis de variosfactores clave del aislamiento yrequerimientos mecánicos. Dentro de lasconsideraciones que deben tomarse encuenta en la selección de un aislador nocerámico, además del fabricante, sepueden mencionar las siguientes:

• Aspectos mecánicos. Carga diaria,cargas excepcionales, cargas de diseño,cargas cíclicas, de torsión y estáticas,

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factores de seguridad, cadenas sencillaso múltiples, tipo de herrajes, resistenciamecánica a largo plazo.

• Aspectos eléctricos. Clarosdieléctricos, nivel básico deaislamiento, voltaje de flameo o deaguante en condiciones secas yhúmedas, sobretensiones pormaniobra, ondas de impulso de frenteescarpado, arco de potencia, distanciade fuga, comportamiento encontaminación, material de faldones ycubierta, uso de anillos corona.

• Aspectos ambientales.Envejecimiento (UV, arqueos), tipo decontaminante, corona, necesidad delavado, corrosión de herrajes, efectode temperatura.

• Adquisición y mantenimiento.Costo, vida útil, mantenimiento yfacilidad de manejo, necesidad deprecauciones especiales, uso denormas nacionales e internacionales.

ConclusionesSe han presentado en forma resumidalos aspectos relacionados con losprocesos de degradación que puedenpresentarse en los aisladores nocerámicos en campo. Asimismo, semencionaron algunos aspectos quedeben considerarse para su selecciónadecuada y las técnicas establecidaspara su evaluación y seguimiento.

En México es poca la experienciaque se tiene con el uso de aisladoresno cerámicos y por tanto se requierede un mayor conocimiento sobre elproceso de selección para unaaplicación particular, los mecanismosde falla y las técnicas de evaluacióntanto de laboratorio como de campo,que permitan incrementar suaplicación.

Recientemente, la ComisiónFederal de Electricidad (CFE) elaboróuna especificación para aisladores nocerámicos basada en losrequerimientos de prueba establecidospor la norma IEC1109 en adición a

algunos criterios dimensionales(longitud, distancia de fuga, valoresdieléctricos y mecánicos, etcétera),que deben tomarse en cuenta durantelas adquisiciones. Desafortunadamente,los conceptos relacionados con losdiferentes materiales y los mecanismosde falla que pueden generarse en unambiente determinado, no son tema quese maneje con facilidad dentro de laparte operativa, por lo que es necesarioreforzar este conocimiento.

Aspectos relacionados con laidentificación de los mecanismos de fallapor medio de fotografías son de muchaimportancia para hacer un buenseguimiento de su comportamiento.Estos serán presentados en un trabajoposterior.

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JOSÉ LUIS FIERRO CHÁVEZVer curículum en la página 78.